开关电源原理与维修

电脑开关电源制作及工作原理 直流稳压电源的组成直流稳压电源是将交流电变换成功率较小的直流电的电路，一般由降压、整流、滤波和稳压等几部分组成（见图16-1）。

整流电路用来将交流电压变换为单向脉动的直流电压；滤波电路用来滤除整流后单向脉动电压中的交流成分，使之成为平滑的直流电压；稳压电路的作用是输入交流电源电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。

图16-1 直流稳压电源组成桥式整流电路图16-2为桥式整流电路，图中V 1、V 2、V 3、V 4四只整流二极管接成电桥形式，故称为桥式整流。

1．工作原理和输出波形设变压器二次电压222sin()u U t ω=，波形如电压、电流波形图(a)所示。

在u 2的正半周，即a 点为正，b 点为负时，V 1、V 3承受正向电压而导通，此时有电流流过R L ，电流路径为a→V 1→R L →V 3→b ，此时V 2、V 4因反偏而截止，负载R L 上得到一个半波电压，如电压、电流波形图(b)中的0～π段所示。

若略去二极管的正向压降，则u O ≈u 2。

电压、电流波形在u 2的负半周，即a 点为负b 点为正时，V 1、V 3因反偏而截止，V 2、V 4正偏而导通，此时有电流流过R L ，电流路径为b→V 2→R L →V 4→a 。

这时R L 上得到一个与0～π段相同的半波电压如电压、电流波形图(b)中的π～2π段所示，若略去二极管的正向压降，u Ｏ≈-u 2。

由此可见，在交流电压u 2的整个周期始终有同方向的电流流过负载电阻RL ，故R L 上得到单方向全波脉动的直流电压。

可见，桥式整流电路输出电压为半波整流电路输出电压的两倍，所以桥式整流电路输出电压平均值为u Ｏ=2×0.45U 2=0.9U 2。

桥式整流电路中，由于每两只二极管只导通半个周期，故流过每只二极管的平均电流仅为负载电流的一半，在u 2的正半周，V 1、V 3导通时，可将它们看成短路，这样V 2、V 4就并联在u 2上，其承受的反向峰值电压为22RM U U =。

同理，V 2、V 4导通时，V 1、V 3截止，其承受的反向峰值电压也为22RM U U =。

二极管承受电压的波形如电压、电流波形图(d)所示。

由上图可见，在交流电压u 2的整个周期始终有同方向的电流流过负载电阻R L ，故R L 上得到单方 向全波脉动的直流电压。

可见，桥式整流电路输出电压为半波整流电路输出电压的两倍。

桥式整流电路与半波整流电路相比较，其输出电压U O 提高，脉动成分减小了。

2．参数估算输出电压的平均值 022012sin()()0.9U U t d t U πωωπ==⎰流过二极管的平均电流 200.45D LU I I R == 二极管承受的反向峰值电压 22RM U U =滤波电路整流电路将交流电变为脉动直流电，但其中含有大量的交流成分（称为纹波电压）。

应在整流电路的后面加接滤波电路，滤去交流成分。

1．电容滤波（1）电路和工作原理设电容两端初始电压为零，并假定t=0时接通电路，u 2为正半周，当u 2由零上升时，V 1、V 3导 通，C 被充电，同时电流经V 1、V 3向负载电阻供电。

忽略二极管正向压降和变压器内阻，电容充电时间常数近似为零，因此uo=u c ≈u 2，在u 2达到最大值时，u c 也达到最大值，然后u 2下降，此时，u c >u 2，V 1、V 3截止，电容C 向负载电阻RL 放电，由于放电时间常数τ=R L C 一般较大，电容电压uc 按 指数规律缓慢下降，当下降到|u 2|>u c 时，V 2、V 4 导通，电容C 再次被充电，输出电压增大，以后重复上述充放电过程。

其输出电压波形近似为一锯齿波直流电压。

图16-3 桥式整流滤波简化电路（2）波形及输出电压空载时即负载电阻为无穷大：022U U =；带负载时：2020.92U U U << 通常取 021.2U U =，RC 越大0U 越大，为了获得良好的滤波效果。

图16-4 整流电压输出波形和二极管电流波形2．其他形式滤波电路（1）电感滤波电路电路如图16-5所示，电感L 起着阻止负载电流变化使之趋于平直的作用。

直流分量被电感 L 短路，交流分 量主要降在L 上 ，电感越大，滤波效果越好 。

一般电感滤波电路只使用于低电压、大电流的场合。

（2）π型滤波为了进一步减小负载电压中的纹波可采用π型LC 滤波电路(见图16-6)。

由于C 1、C 2 对交流容抗小，而电 感对交流阻抗很大，因此，负载R L 上的纹波电压很小。

u2R L+∙∙∙∙∙∙Cu O +-+-稳压电路16.4.1 并联稳压电路调整管并与负载并联的稳压电路，称为并联型晶体管稳压电路。

硅稳压二极管稳压电路的电路图如图16-7所示。

它是利用稳压二极管的反向击穿特性稳压的，由于反向特性陡直，较大的电流变化，只会引起较小的电压变化。

1．当输入电压变化时如何稳压根据电路图16-7可知： 输入电压V I 的增加，必然引起V O 的增加，即V Z 增加，从而使I Z 增加，I R 增加，使V R 增加，从而使输出电压V O 减小。

这一稳压过程可概括如： V I ↑→V O ↑→V Z ↑→I Z ↑→I R ↑→V R ↑→V O ↓这里V O 减小应理解为，由于输入电压VI 的增加，在稳压二极管的调节下，使V O 的增加 没有那么大而已。

V O 还是要增加一点的，这是 一个有差调节系统。

2．当负载电流变化时如何稳压负载电流I L 的增加，必然引起I R 的增加， 图16-7 硅稳压二极管稳压电路 即V R 增加，从而使V Z =V O 减小，I Z 减小。

I Z 的减小必然使I R 减小，V R 减小，从而使输出电压V O 增加。

这一稳压过程可概括如下：I L ↑→I R ↑→V R ↑→V Z ↓（V O ↓）→I Z ↓→I R ↓→V R ↓→V O ↑稳压二极管的缺点是工作电流较小，稳定电压值不能连续调节。

16.4.2 线性串联型稳压电路 1．线性串联稳压电源原理采用三极管作为调整管 并与负载串联的稳压电路，称为串联型晶体管稳压电路；当调整管工作在线性放大状态则称为线性稳压器。

线性串联稳压电源的工作原理可用图16-8来说明。

显然，V O =V I -V R ，当V I 增加时，R 受控制而增加，使V R 增加，从而在一定程度上抵消了V I 增加对输出电压的影响。

若负载电流I L 增加，R 受控制而减小，使V R 减小，从而在一定程度上抵消了因I L 增加，使V I 减小，对输出电压减小的影响。

图16-8 线性串联稳压电源的工作原理 图16-9 串联型稳压电路 2．实际串联稳压电路组成在实际电路中，可变电阻R 是用一个三极管来替代的，控制基极电位，从而就控制了三极管的管压降V CE ，V CE 相当于V R 。

要想输出电压稳定，必须按电压负反馈电路的模式来构成串联型稳压电路。

3．典型的串联型稳压电路典型的串联型稳压电路如图16-9所示。

它由调整管、放大环节、比较环节、基准电压源，采样电路几个部分组成。

(1)输入电压变化，负载电流保持不变输入电压V I 的增加，必然会使输出电压V O 有所增加，输出电压经过取样电路取出一部R I V V V V V R I R I Z O ==-=-ZL R +=I II分信号V f 与基准源电压V REF 比较，获得误差信号ΔV 。

误差信号经放大后，用V O1去控制调整管的管压降V CE 增加，从而抵消输入电压增加的影响。

V I ↑→V O ↑→V f ↑→V O1↓→V CE ↑→V O ↓ (2)负载电流变化，输入电压保持不变负载电流I L 的增加，必然会使输入电压V I 有所减小，输出电压V O 必然有所下降，经过取样电路取出一部分信号V f 与基准源电压V REF 比较，获得的误差信号使V O1增加，从而使调整管的管压降V CE 下降，从而抵消因I L 增加，使输入电压减小的影响。

I L ↑→V I ↓→V O ↓→V f ↓→V O1↑→V CE ↓→V O ↑(3)输出电压调节范围的计算根据图16-9可知V f ≈V REF ， 调节R 2显然可以改变输出电压。

图16-10为实际的串联型稳压电源电路，分别由整流电路、滤波电路、调整管、基准电压电路、比较放大电路、采样电路等部分组成图16-10 串联型稳压电源电路其中：整流电路：D 1～D 4；滤波电路：C 1；调整管：T 1、T 2；基准电压电路：'Z 'D 、R 、R 、D Z ；比较放大电路：A ；取样电路：R 1、R 2、R 3。

为了使电路引入负反馈，集成运放的输入端上为“-”下为“＋”。

输出电压的表达式为：Z 3321O Z 32321U R R R R U U R R R R R ⋅++≤≤⋅+++线性串联型稳压电源的工作电流较大，输出电压一般可连续调节，稳压性能优越。

目前这种稳压电源已经制成单片集成电路，广泛应用在各种电子仪器和电子电路之中。

线性串联型稳压电源的缺点是损耗较大，效率低。

16.4.3 三端集成稳压电路 1．线性三端集成稳压器的分类线性三端集成稳压器主要有以下几种类型：三端固定正输出集成稳压器，国标型号为CW78、CW78M 、CW78L 三端固定负输出集成稳压器，国标型号为CW79、CW79M 、CW79L三端可调正输出集成稳压器，国标型号为CW117、CW117M 、CW117L 、 CW217、CW217M 、CW217L 、CW317、CW317M 、CW317L 、三端可调负输出集成稳压器，国标型号为CW137、CW137M 、CW137L 、CW237、CW237M 、CW237L 、CW337、CW337M 、CW337L2．CW7800 系列(正电源)，CW7900 系列(负电源)输出电压：5 V/ 6 V/ 9 V/ 12 V/ 15 V/ 18 V/ 24 V输出电流：78L ×× / 79L ×× — 输出电流 100 mA ；78M ×× / 9M ×× — 输出电流 500 mA ；78 ×× / 79 ×× — 输出电流 1.5 A 。

如CW7805 输出 5 V ，最大电REF2321O1O )"'+(1=V R R R R V V ++≈流 1.5 A ；CW78M05 输出 5 V ，最大电流 0.5 A ；CW78L05 输出 5 V ，最大电流 0.1 A 。

封装和符号如图16-11所示图16-11 CW7800 系列、CW7900 系列封装和符号3．三端可调输出集成稳压器三端可调输出集成稳压器是在三端固定输出集成稳压器的基础上发展起来的，集成片的输入电流几乎全部流到输出端，流到公共 端的电流非常小，因此可以用少量的外部 元件方便地组成精密可调的稳压电路，应 用更为灵活。